董博+丁厚刚+李纯伟+桑广合

摘 要：唐阳煤矿二采区南部皮带下山地质条件复杂，巷道变形严重，应用钢管混凝土支架进行巷道返修工程实践。钢管混凝土支架断面圆形，支架型号Φ194×10，支架全周焊接圆钢进行抗弯强化，接头套管型号Φ223×10，对钢管混凝土支架施工工艺进行了详细介绍，工程监测表明钢管混凝土支架的具有较高的承载能力，可以解决唐阳矿深井巷道难支护问题，具有突出的承载力优势。

关键词：深部巷道；巷道支护；钢管混凝土支架；施工工艺

中图分类号：TD353.3 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）21-0083-03

钢管混凝土材料具有优良承压性能，以其为基本材料做成的钢管混凝土支架具有高承载力、高性价比和施工简单等特点[1～2]，钢管混凝土支架应用煤矿可以解决深井巷道难支护问题，目前已在全国二十多个矿井成功应用，取得良好效果[3～7]。其中典型的深井如华丰煤矿，采深1300多米[8]；典型的软岩矿井如查干淖尔一号井，粘土含量60%，粘土中蒙脱石含量80%[9]。

唐阳煤矿位于山东省汶上县，井田面积17平方公里，煤质良好，年产120万吨。随着矿井开采深度增加，断层构造等复杂地质增多，巷道支护难度越来越大，本文以二采区南部皮带下山返修支护为例，详细论述钢管混凝土支架在深井巷道支护中的工程实践过程。

1 二采区南部皮带下山原有支护分析

1.1 二采区南部皮带下山地质分析

二采区南部皮带下山埋深-618.4～-720m，位于SF15断层东部，DF16断层南部，DF5断层西部，沿3煤底板施工，巷道揭露DF16断层后煤层变缓，巷道改沿3煤顶板施工。3煤为黑色，厚度为5.4～5.7m，直接顶为粉砂岩厚约3.14m，基本顶为细粒砂岩厚约5.4m；直接底板为泥岩，厚约0.57m；基本底为细粒砂岩，厚约4.23m。

对二采区南部皮带下山粉砂岩和细粒砂岩进行力学性能和水理性质测试，测试结果如表1。

使用D8 ADVANCE型X射线衍射仪，以X射线衍射分析岩样物相，试样中主要矿物成分为石英和珍珠陶土，其中石英含量为68.6%，珍珠陶土含量为31.4%，珍珠陶土属于高岭石类，是粘土矿物成分的一种。

1.2 二采区南部皮带下山原有支护破坏分析

二采区南部皮带下山最近一次返修是2016年5月份，返修钢棚由11#矿用工字钢连接加工制作对棚，钢棚呈梯形，要求棚腿与巷道底板夹角80°，支架之间用好木对称，棚梁两头各一根，两棚腿一根，在棚头中间、两棚腿上部各布置一道双股12#镀锌铁丝作为联锁使用，2016年10月份二采区南部皮带下山出现较大变形，底鼓，两帮位移，不同程度的顶板下沉，如图1。

通过对二采区南部皮带下山围岩特征及巷道破坏分析，其变形破坏原因主要有两点：（1）地层埋深较大，地压显现较明显，巷道围岩偏于软弱；（2）巷道经历多次返修导致浅部围岩裂隙充分发育，承载能力下降；（3）现有支护体强度不足，不能有效应对扰动影响。

2 二采区南部皮带下山支护方案设计

根据二采区南部皮带下山相关资料，返修巷道断面确定为圆形，支架整体如图3所示，净断面由4.1m×4.0m，支架间距0.6m。

见图2以钢管混凝土支架为主要技术手段，巷道开挖后挂网打锚杆做临时护顶支护，然后架设钢管支架，钢管支架灌注混凝土，壁后挂网喷射混凝土，支架外喷混凝土覆盖，完成全部支护措施。

2.1 钢管混凝土支架设计

钢管采用20#结构用无缝钢管，支架所用钢管型号Φ194×10mm，支架分为四段，各段间套管连接，支架顶拱段段与左右两帮之间用接头套管连接，接头套管采用热扩成型，匹配支架。

2.2 核心混凝土配比设计

核心混凝土设计为强度等级C40混凝土，核心混凝土基本配料为水泥、砂子和石子，为满足泵送要求、减少用水量加入减水剂，掺量2%；为防止混凝土干缩导致核心混凝土与钢管剥离加入膨胀剂，掺量8%；为增加混凝土的韧性和抗变形能力加入钢纤维，掺量5%，按水泥重量比掺入。

2.3 锚网喷支护及壁后充填设计

巷道开挖后立即对围岩喷射30～50mm厚混凝土封闭，然后挂网打锚杆，锚杆长度3.0m，排距1000mm，顶部紧密，两帮疏松。架设钢管混凝土支架，在支架后铺设彩条布与钢筋网，钢筋网紧贴支架，彩条布与围岩预留200mm空间，以喷射混凝土充填。

3 钢管混凝土支架承载能力验算

3.1 钢管混凝土短柱承载力

20#结构用无缝钢管的屈服极限fs=215N/mm2，钢管的横截面积As=5778mm2。设计混凝土强度等级C40，混凝土轴心抗压强度fc1=19.1N/mm2，钢管内填混凝土横截面的净面积Ac=23767mm2。

根据《现代钢管混凝土结构（修订版）》[1]，钢管混凝土结构轴压短柱极限承载力设计值为

3.2 支架承载能力计算

考虑钢管支架在压弯时，受长细比与偏心率影响，因此计算钢管混凝土支架的极限承载力时需要乘上相应的折减系数，因此钢管混凝土支架的极限承载能力表示为：

式中：—钢管混凝土支架的极限承载力；

—钢管混凝土轴压短柱承载力；

—折减系数；考虑长细比和偏心率的影响，折减系数取=0.778。

支架上部半圆拱的极限承载平衡方程为：

=2573×0.78=2001kN

因此Ф194×10mm钢管混凝土支架承载能力為2001kN，约200吨。

3.3 支架支护反力计算

巷道中钢管混凝土支架结构力学模型如图4。

根据该力学模型，二采区南部皮带下山钢管混凝土支架支护反力为：endprint

式中：S—支架间距，0.6m；

R—巷道计算半径，2.1m。

求出钢管混凝土支架的支护反力为：

=1.54MPa。

同理对目前使用的11#矿用工字钢支架进行计算得支护反力为0.42 MPa。钢管混凝土支架的承载能力是11#矿用工字钢支架的3倍以上，可以满足巷道稳定要求。

4 钢管支架安装与混凝土灌注工艺

钢管混凝土支架支护工艺可概括为三步法：地面加工、井下安装、现场灌注。

4.1 空钢管支架安装工艺

对井下安装和现场灌注工作的安装步骤进行严格控制，巷道安装工艺流程：①确定支架位置，②安装底弧段，③安装两帮段，④安装顶弧段，⑤支架位置微调。

4.2 钢管支架核心混凝土灌注工艺

每安装10～15架空钢管支架灌注混凝土一次，工艺流程：①混凝土输送泵摆放，注浆管连接；②接电试机，空载试运行，准备混凝土原材料；③搅拌混凝土至符合泵送混凝土要求；④接通注浆管路：输送泵—输送管—高压胶管—闸阀—支架注浆口，闸阀开通；⑤灌注混凝土土，注意顶部排气孔溢浆标志；⑥灌注结束后先停止泵送，然后关闭闸阀，拆卸管路，封堵排浆孔。連接下一架，继续灌注。

5 钢管混凝土支架支护监测

支护完成后，对二采区南部皮带下山进行三个月的巷道表面收敛监测，监测表明巷道顶底板相对位移量极值为75mm，而两帮相对位移量极值为60mm，均满足巷道围岩稳定的要求。通过支护前后的巷道变形对比表明，钢管混凝土支架支护效果明显好于原支护方案，维持了二采区南部皮带下山巷围岩的稳定。

6 主要结论

本文以唐阳煤矿二采区南部皮带下山为工程背景，分析了围岩地质特征，提出基于钢管混凝土支架的综合支护方案，对钢管混凝土支架进行了承载能力计算分析，详细论述了钢管混凝土支架施工工艺。得到如下结论：

（1）二采区南部皮带下山围岩主要泥质粉砂岩，岩石强度低，承载能力差，，巷道破坏严重，常规的锚网喷支护和矿用工字钢支架已不能满足支护要求。

（2）钢管混凝土支架结构合理，承载力高。钢管混凝土支架承载力验算得出Ф194×10mm支架支护反力为1.54MPa，增加抗弯圆钢后，整体抵抗弯矩的能力大幅提升，满足巷道支护要求。

（3）二采区南部皮带下山采用钢管混凝土支架返修后支护稳定，整体效果优异，体现了钢管混凝土支架支护的优越性。

参考文献

[1]蔡绍怀.现代钢管混凝土结构（修订版）[M].北京：人民交通出版社，2007.

[2]韩林海.钢管混凝土结构- 理论与实践[M].北京：科学出版社，2004.

[3]高延法，王波，李冰等.深井软岩巷道钢管混凝土支架支护实验研究[J].见：全国冲击地压研讨会暨2008全国煤矿安全、高效、洁净开采技术新进展研讨会论文集[C].2008：333～338.

[4]高延法，王波，曲广龙等.钢管混凝土支架力学性能实验及其在巷道支护中的应用[A].见：第八届海峡两岸隧道与地下工程学术与技术研讨会[C].2009，C15-1～10.

[5]高延法，王波，王军，等.深井软岩巷道钢管混凝土支护结构性能试验及应用[J].岩石力学与工程学报，2010（29）S1：2604～2609.

[6]牛学良.深井软岩巷道稳定性控制理论与技术研究[D].山东科技大学，2008.

[7]王波.软岩巷道变形机理分析与钢管混凝土支架支护技术研究[D].中国矿业大学（北京），2008：8～9.

[8]李冰.深井软岩巷道钢管混凝土支架支护稳定性分析及工程应用[D].中国矿业大学（北京），2009：46～65.

[9]张长福.动压软岩巷道钢管混凝土支架支护性能与经济效益分析[D].中国矿业大学（北京），2010.endprint